Digitaler Zwilling des James-Webb-Teleskops entdeckt Exoplaneten, den das Originalteleskop übersehen hat

Astronomen haben die Rechenmethode FLIP (Physics-based Learning for Imaging Planets) vorgestellt, mit der ein präziser digitaler Zwilling des James-Webb-Weltraumteleskops erstellt und dessen Archivbilder neu verarbeitet werden konnten. Infolgedessen isolierten die Wissenschaftler das Signal des Gasexoplaneten 51 Eridani b bei einer Wellenlänge von 4,3 µm — einem Bereich, in dem der Planet zuvor bei keiner Standardverarbeitungsmethode in Erscheinung getreten war. Nach Angaben der Entwickler handelt es sich um die weltweit erste direkte Entdeckung eines Exoplaneten bei genau dieser Wellenlänge, was neue Möglichkeiten zur Erforschung der atmosphärischen Zusammensetzung fernster Welten eröffnet.

Das Problem, das die direkte Beobachtung jahrzehntelang blockierte

Das HauptHindernis für die direkte Abbildung von Exoplaneten ist der kolossale Helligkeitskontrast zwischen einem Planeten und seinem Stern. In typischen Systemen kann ein Planet eine Million Mal dunkler sein als sein Zentralgestirn, und selbst winzige Änderungen in der Position oder Neigung der optischen Elemente des Teleskops — im Bereich weniger Nanometer — verändern das Streulichtmuster auf dem Detektor drastisch. Standardmethoden zur Bekämpfung dieses Streulichts stützen sich auf Referenzaufnahmen des Sterns aus benachbarten Frames, berücksichtigen jedoch keine mikroskopischen Abweichungen des optischen Aufbaus, wodurch das schwache Planetensignal im Restrauschen „versteckt“ bleibt.

Wie FLIP die Physik modelliert, anstatt das Rauschen nur abzuziehen

Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen verwendet FLIP keine vorgefertigten Referenzbilder des Sterns. Der Algorithmus erstellt ein physikalisches Modell des Lichtdurchgangs durch die Teleskopspiegel und dessen Auftreffens auf die Detektoren und passt dann die Parameter des virtuellen Modells so an, dass es die tatsächlichen Beobachtungen unter Berücksichtigung kleinster Abweichungen des optischen Systems wiedergibt. Nach der Kalibrierung kann das berechnete Sternstreulichtmuster vom Originalbild abgezogen werden, während das schwächere Planetensignal erhalten bleibt. Die Entwickler haben separat verifiziert, dass der Algorithmus nicht zusammen mit dem Streulicht auch die echte Planetenstrahlung entfernt: Künstliche Planetensignale wurden den Rohdaten hinzugefügt, um zu überprüfen, ob das Programm sie nach der Verarbeitung wiederherstellt.

Tests an zwei bekannten Systemen

Die Methode wurde anhand von Archivbeobachtungen zweier Sternsysteme mit bereits bekannten Exoplaneten — HIP 65426 und 51 Eridani — getestet. Während der Tests zeigte FLIP eine Empfindlichkeit gegenüber schwachen Planetensignalen, die 2- bis 15-mal höher war als bei Standardverarbeitungsmethoden. Das aussagekräftigste Ergebnis wurde bei der Analyse des Systems 51 Eridani erzielt: Der Planet 51 Eridani b wurde 2015 erstmals mit Teleskoped von der Erde aus entdeckt und ist ein junger Gasriese von der Größe des Jupiter. James Webb beobachtete dieses System bei einer Wellenlänge von 4,3 µm — einem Bereich, in dem Astronomen Kohlendioxid in Planetenatmosphären untersuchen —, doch bei der normalen Verarbeitung zeigte sich das Signal von 51 Eridani b nicht. Nach Anwendung von FLIP wurde der Planet genau dort sichtbar, wo seine Position erwartet wurde, und die Empfindlichkeit für sein Signal erhöhte sich um das Vierfache.

Neuanalyse des Archivs und Pläne für zukünftige Observatorien

Da FLIP mit bereits gewonnenen Aufnahmen arbeitet, beabsichtigt das Team, die Methode für eine Neuanalyse des gesamten James-Webb-Archivs zu nutzen, um nach Exoplaneten zu suchen, die bei der Erstverarbeitung unbemerkt geblieben sind. Die Methode ist nicht ausschließlich an das Design dieses Teleskops gebunden: Die Entwickler planen, sie für das Nancy Grace Roman Space Telescope und eine Reihe bodengestützter Teleskope anzupassen. Eine weitere vielversprechende Richtung ist das kommende NASA-Projekt Habitable Worlds Observatory, das für die direkte Beobachtung erdähnlicher Planeten um sonnenähnliche Sterne bestimmt ist. Solche Planeten können etwa 10 Milliarden Mal dunkler sein als ihre Sterne, und ohne physikalische Modellierung des optischen Systems wäre ihre Entdeckung praktisch unmöglich.